| El efecto fotoeléctrico por María Dolores Álvarez Daza y Ana Isabel Villegas Aranda |
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| En marzo de 1905 Albert Einstein, oficial de tercera clase de la Oficina de Patentes de Berna, remitía un artículo a Annalen der Physik en el que describía el fundamento del efecto fotoeléctrico. Estos descubrimientos le valieron con posterioridad el premio Nobel. | ||
| ¿Cómo funciona un panel solar? ¿Cómo mide una cámara fotográfica la exposición necesaria para que una fotografía salga perfecta?¿Cómo determina una fotocopiadora la cantidad de tóner que debe usar para asegurar la calidad de la copia?¿Por qué se abre automáticamente la puerta de un establecimiento cuando estamos delante de ella? Todas estas preguntas tienen una respuesta común; en todos los casos la energía luminosa se convierte en una corriente eléctrica. ¿Cómo se lleva a cabo este proceso?
El elemento común es el efecto fotoeléctrico, un fenómeno que consiste en la aparición de una corriente eléctrica cuando ciertos materiales son iluminados por una radiación electromagnética. Dicho de otro modo, cuando la luz incide sobre un metal, este tiene la capacidad de emitir electrones. Este fenómeno se descubrió en Francia en 1839 y fue descrito experimentalmente por Heinrich Hertz en 1887, mostrando unas características que no podían explicarse por las teorías de la época que consideraban la luz como una onda. Su naturaleza constituiría un misterio hasta que, en 1905, Albert Einstein descubriera su fundamento mientras desentrañaba los cálculos de otro gran físico, Max Planck. Sus resultados se expusieron en uno de los artículos que publicó en su annus mirabilis y que llevaba por título Sobre un punto de vista heurístico concerniente a la producción y trasnformación de luz.
En 1900, Max Planck había llegado a la conclusión de que un cuerpo caliente emite luz de una determinada frecuencia en porciones indivisibles a las que denominó cuantos. Planck introdujo entonces su célebre constante h, un argumento matemático para que las ecuaciones que describían la “radiación del cuerpo negro” diesen los valores correctos. Einstein supuso que la constante de Planck representaba mucho más que un mero artificio matemático necesario para explicar las ecuaciones. Postuló que la luz, en lugar de fluir como una onda continua de energía, viaja en paquetes comportándose como un haz de partículas llamados fotones. Cuando éstos impactan sobre los electrones pueden llegar a arrancarlos del átomo originando una corriente eléctrica. Para ello es necesario que los fotones tengan una energía superior a la que matiene a los electrones unidos al núcleo, que se emplearía en liberar al electrón y dotarle de una cierta cantidad de energía cinética. Los fotones cumplen el principio de “todo o nada”, en el sentido de que toda la energía o es utilizada para liberar un electrón del átomo o, en caso contrario, es reemitida. Una propiedad desconcertante del efecto fotoeléctrico es que al aumentar la intensidad de la luz incidente aumenta el número de electrones que sale del metal pero no su velocidad, que permanece constante. Sin embargo, cuando se cambia la frecuencia de la luz, o dicho de otro modo, se prueba con luces de diferentes longitudes de onda, la velocidad con la que se desprenden los electrones varía. Así, la luz azul arranca electrones con mayor velocidad que la luz roja. Esto, aparentemente en contradicción con la física clásica, se debe a que la luz puede comportarse no sólo como una onda, sino también como una haz de paquetes discretos de energía, los fotones. Un fotón azul posee más energía que uno rojo; por ello cuando choca con un electrón lo impulsa con una velocidad mayor. La concepción corpuscular de la luz explica también porque al aumentar la intensidad luminosa aumenta el número de electrones expulsados: al ser mayor el número de fotones que inciden será mayor el número de electrones arrancados, aunque todos ellos lo hacen con la misma velocidad. Einstein consideró que la energía de cada partícula luminosa o fotón se podía cuantificar según la ecuación
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, donde E es la energía del fotón, h es la constante de Planck (
erg.seg) y 
es la frecuencia de la luz, parámetro del que depende su color. Experimentos posteriores confirmaron las experiencias de Einstein, quien recibió el Premio Nobel por este descubrimiento en 1921.
El efecto fotoeléctrico que Albert Einstein aclarase en 1905 opera hoy en instrumentos que encienden el alumbrado público cuando anochece, regulan la intensidad del tóner en las fotocopiadoras o miden el tiempo de exposición en las cámaras fotográficas. Interviene en prácticamente todos los dispositivos que controlan o responden a la iluminación, incluyendo los alcoholímetros, donde una fotocélula detecta el cambio de color que se produce tras la reacción de un gas indicador con el alcohol del aliento. El efecto fotoeléctrico también opera en los fotomultiplicadores, dispositivos que operan en las camaras de televisión y en las dispositivos CCD de los detectores astronómicos. También está presente en el fundamento de las células solares o fotovoltaicas, aparatos que transforman directamente la energía luminosa en una corriente eléctrica. Su eficacia actual está entre un 15 y un 30%. Se utilizan en calculadoras, relojes, viviendas ecológicas, satélites orbitales y vehículos que exploran la superficie de Marte.